[发明专利]一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池

说明书

本发明涉及一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池，所述气体扩散层包括层叠设置的纤维骨架层和多孔层；所述多孔层包括间隔分布的透气材料和导水材料。本发明提供的气体扩散层由纤维材料作为骨架层支撑，通过在平面上交错分布排列的透气材料和导水材料作为多孔层，可以同步双极板设计进行定制化开发，其生产工艺简单、可实现与双极板流场形状匹配的定制化开发生产，缩短工艺开发时间，节约生产制备成本，改善了膜电极水淹、反应气传递不均匀和燃料电池气阻大等问题。

技术领域

本发明属于氢燃料电池技术领域，涉及一种气体扩散层，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池。

背景技术

燃料电池以氢气为阳极，空气或氧气为阴极，具有较高的能量转化效率、较长的使用寿命、反应条件温和以及对环境友好等特点，被誉为最有发展前途的发电技术，特别是在汽车动力、移动电源等方面具有广泛的应用前景。气体扩散层是燃料电池膜电极的重要组成部分，起到气体和水分管理的作用。既要保证质子交换膜水分充足，同时，为防止水淹又能够及时的及时排出生成水分。在实际燃料电池运行中，双极板流道与气体扩散层的扩孔基底侧直接接触压合，双极板脊下对应的气体扩散层由于直接受到来自双极板的压力，孔隙率明显比流道下对应的气体扩散层要小，容易造成水淹。

CN 113178583A公开了一种改性复合气体扩散层的制备方法和应用，应用改性石墨烯复合材料喷涂于碳纸表面，提高了碳纸的导电性和疏水性。但材料未对功能区进行详细划分，不能对电堆内部进行水-气管理，因此不能从根本上解决膜电极水淹及膜电极寿命问题。

CN 112609452A公开了一种气体扩散层材料及其制备方法，通过制备工艺得到保证燃料电池性能的气体扩散层。但对浆液涂覆工艺没有详细要求，缺少气体扩散层微孔处理层的制备处理过程。

CN 107507983A公开了一种疏水性梯度变化的扩散层及其制备方法与应用，所述疏水性梯度变化的扩散层包括多孔基材和微孔层，所述多孔基材上带有垂直疏水层，所述微孔层的微孔上带有疏水性呈梯度变化的平行疏水层，但处理步骤复杂，疏水性梯度难以在实际操作中实现，且未考虑双极板脊下气体扩散层的水分积聚问题。

针对以上问题，亟需开发一种能够改善膜电极水淹和反应气传递不均匀等问题的气体扩散层。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池，通过混合不同配方量的组分制备得到具有高透气和高导水特性的两种材料，将两种材料交错分布形成的多孔层作为气体扩散层的辅料，与纤维骨架层组成气体扩散层的新型结构，解决了燃料电池工作中的膜电极水淹和反应气传递不均匀的问题，降低了燃料电池的气阻，可实现与双极板流场形状匹配的定制化开发生产，缩短工艺开发时间，节约生产制备成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种气体扩散层，所述气体扩散层包括层叠设置的纤维骨架层和多孔层；

所述多孔层包括间隔分布的透气材料和导水材料。

本发明提供的气体扩散层由纤维材料作为骨架层支撑，通过在平面上交错分布排列的透气材料和导水材料作为多孔层。透气材料分布对应于双极板的气道部位，快速及时向膜电极通入反应气，同时有助于反应气的均匀扩散，提高电池效率。导水材料的分布对应于双极板的脊下部位，改善了由于脊下气体扩散层中的水分聚集、难以及时排除的问题，减少了膜电极水淹的产生，提高了电池使用寿命。区别于传统的燃料电池结构，本发明提供的气体扩散层可实现与双极板流场形状匹配的定制化开发生产。

优选地，所述纤维骨架层包括石墨化碳纤维。

优选地，所述纤维骨架层为经过改性处理的纤维骨架层，所述改性处理包括依次进行的浸胶处理和高温固化。

优选地，所述纤维骨架层还包括由石墨化纤维搭建而成的孔隙区。